以碼盤為傳感器的永磁電動機矢量控制系統(tǒng)
張萬峰 扈宏杰 張子忠 (上海交通大學200240)
摘 要 概述直流電動機、感應電動機、永磁電動機在電動機伺服系統(tǒng)應用中的不同特點，介紹一種新穎的永磁同步電動機結構形式，建立永磁同步電動機的數(shù)學模型，并確立其磁場定向矢量控制方式，設計了以混合式光電碼盤作傳感器的永磁同步電動機伺服系統(tǒng)，給出其實驗結果和結論。
敘 詞 同步電動機永磁電機磁場定向控制光電碼盤
1引 言
電動伺服技術是機電一體化技術的核心部分之一，電動機伺服系統(tǒng)在精密數(shù)控機床、加工中心、機器人、半導體制造、工廠及辦公室自動化等領域都有廣泛的應用。電動伺服技術主要包括伺服電動機理論及技術、現(xiàn)代控制理論及技術、電力電子技術及傳感器技術，它在70年代趨于成熟，并逐漸滲透到各應用領域。
在電動機伺服系統(tǒng)中，有刷直流電動機伺服系統(tǒng)具有良好的控制性能，并在70年代獲得廣泛應用，但是由于電刷和換向器的存在，運行時需要定期維護和無法做到高速大容量，所以在現(xiàn)代電動機伺服系統(tǒng)的應用中受到限制�；髴妱訖C結構簡單，堅固耐用，無機械換向，隨著控制技術和電力電子技術的日益成熟，以逆變器為驅動電源的異步電動機變頻調(diào)速伺服系統(tǒng)在許多工業(yè)領域中被大量應用，但是由于有矢量算法復雜、低速特性差、易發(fā)熱等缺點，使其在現(xiàn)代電動伺服系統(tǒng)中的應用受到了一定限制[1]。
由于永磁材料的開發(fā)，永磁電動機伺服系統(tǒng)獲得了廣泛應用，永磁電動機轉子或定子上裝有永磁磁鋼，以產(chǎn)生恒定磁場，由于永磁體可以產(chǎn)生很強的磁場，所以使其具有較高的功率密度和較小的體積，從而使得永磁同步電動機伺服系統(tǒng)具有較高的性能指標。永磁電動機伺服系統(tǒng)按驅動類型的不同可分為兩種，正弦波驅動永磁同步電動機伺服系統(tǒng) 簡稱pmsm和方波驅動無刷直流電動機伺服系統(tǒng)簡稱bdcm，由于永磁同步電動機伺服系統(tǒng)與無刷直流電動機伺服系統(tǒng)在結構上的類似，使二者有許多共同之處，功率密度較高，體積較小，伺服性能優(yōu)越。但是
由于永磁同步電動機伺服系統(tǒng)轉矩波動小，調(diào)速范圍寬，其伺服性能優(yōu)越于無刷直流電動機伺服系統(tǒng)，從而使其在交流伺服系統(tǒng)中占重要地位。
本文首先介紹研制的永磁同步電動機的系統(tǒng)結構，然后建立永磁同步電動機系統(tǒng)的數(shù)學模型，并確立其矢量控制方式，最后設計以混合式光電碼盤作傳感器的永磁同步電動機伺服系統(tǒng)驅動控制電路，并給出調(diào)試的實驗結果及結論[3]。
2永磁同步電動機伺服系統(tǒng)的結構
永磁同步電動機伺服系統(tǒng)主要由三部分構成。
(1)永磁同步電動機本體：永磁同步電動機本體主要由定子和轉子兩大部分組成，定子上嵌有三相電樞繞組，轉子上裝有永磁體，這種結構形式不僅使轉子不產(chǎn)生熱，而且使電樞電流產(chǎn)生的熱易于散出，同時實現(xiàn)了電動機本體的小型化。
(2)速度及位置傳感器：永磁同步電動機伺服系統(tǒng)不僅要檢出轉子磁極位置信號，而且為實現(xiàn)速度伺服與位置伺服，也需要相應精度的速度與位置傳感器，通常這兩方面的功能希望集中在一個傳感器內(nèi)實現(xiàn)，目前，混合式光電碼盤在各類永磁同步電動機伺服系統(tǒng)中被廣泛采用，研制的永磁同步電動機伺服系統(tǒng)也采用混合式光電碼盤作為速度及位置傳感器。
(3)正弦波脈寬調(diào)制及驅動控制電路：正弦波脈寬調(diào)制電路與驅動控制電路足永磁同步電動機伺服系統(tǒng)的重要組成部分，正弦波脈寬調(diào)制電路以一定的調(diào)制頻率觸發(fā)功率開關器件以驅動電機，并在控制電路的調(diào)節(jié)下實現(xiàn)速度伺服與位置伺服。
研制的永磁同步電動機伺服系統(tǒng)的電動機本體采用9槽集中繞組結構，轉子采用釹鐵硼永磁磁鋼，為抑制轉矩波動，采用4對極斜極結構。速度及位置傳感器采用混合式光電碼盤，碼盤同軸連接于永磁同步電動機本體的非負載側。驅動控制電路采用矢量控制下的正弦波脈寬調(diào)制技術，以igbt模塊組成三相橋式逆變電路作功率驅動單元。
3永磁同步電動機的數(shù)學模型及控制方式
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